一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂

摘要

本发明提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，原料组分包括碳化谷壳25％～38％，谷壳硅碱10％～20％，粉煤灰14％～25％，硅钙镁磷钾肥28％～40％，聚丙烯酰胺2％～8％。本发明所述调理剂不仅能显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度和大团聚体比例，有效避免土壤板结现象，而且还能提供大量Ca2+、Mg2+、K+等盐基离子与土壤胶体吸附的H+和Al3+等致酸离子进行等比例交换，交换出来的H+、Al3+被所述调理剂本身携带的OH‑和活性硅水解释放出的OH‑进行中和或沉淀，从根本上解决了稻田酸性土壤的“酸”、“毒”问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，属于土壤改良技术领域。

背景技术

稻田是我国南方最大的耕地资源，但是，在脱硅富铁铝化作用下土壤粘粒的硅铝率逐渐降低、交换性Al³⁺大量生成，导致土壤发生自然酸化，同时形成了铝毒。近年来，化肥的过量施用使耕地土壤养分失衡，进一步加快了土壤酸化进程。数据表明，全国pH＜5.5的酸性耕地面积从30年前的7％上升至18％。以湖南省为例，耕地酸碱度与1980年的第二次土壤普查时比较，土壤的平均pH值已由6.4下降到5.9，即历经30年土壤酸化变量相当于自然状态下300年的程度。

土壤酸化的危害主要如下：(1)影响水稻生长，研究表明：pH值小于5.5，水稻就有隐形损失或出现早衰；pH值小于5.2水稻则出现植株矮化；pH值小于4.5，水稻产量将受到影响；(2)影响养分的有效性，这是由于pH值6-8时，土壤有效氮的含量最高；pH小于6.5时，土壤中的磷变成磷酸铁铝而固结，当pH值小于6.0时，土壤中有效钾、钙、镁的含量急剧减少；此外，对于中微量元素钙、镁、硫、硼、锌、钼等，随着pH值的降低，其有效性降低；(3)影响土壤中铝元素的活性，随着土壤pH值的下降，土壤中的活性铝显著增加，有机络合态铝大幅减少，活性铝的大量富集会导致水稻铝中毒，重者会造成水稻枯萎，甚至减产。

为了解决上述问题，CN103964975A公开了一种酸性稻田土壤调理剂及其使用方法，其包括如下组分：25-70重量份草木灰，20-35重量份生物炭，20-35重量份膏状石灰，1-15重量份植物源有机肥混合挤压成型的混合物料。该技术在改良酸性稻田土壤的同时，不致使土壤结构变差，但该土壤调理剂由于不能提供充足的钙镁钾等盐基离子与土壤中致酸离子Al³⁺和H⁺进行有效交换，同时也不能补充有效硅，所以不能从根本上调理稻田酸性土壤。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种不仅可以从根本上调理稻田酸性土壤，而且还能有效改良土壤结构，并且可长期使用的一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，22-38重量份；

谷壳硅碱，10-20重量份；

粉煤灰，14-25重量份；

硅钙镁磷钾肥，24-40重量份；

聚丙烯酰胺，2-8重量份；

粘结剂，2-10重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在500-600℃条件下进行碳化4-6h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向所述碳化谷壳中加入浓度为6-20wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:3-1:8，煮沸并保持2-4h，即得所述谷壳硅碱。

所述粘结剂为凹凸棒粉和/或膨润土。

所述聚丙烯酰胺为阴离子聚丙烯酰胺，分子量为300-500万。

所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂的制备方法，步骤如下：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化7-10天，即得混合物料体系；

(2)向步骤(1)所述的混合物料体系中加入所述粘结剂，进行造粒，待母粒成型后加入所述聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经烘干、筛分，即得以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂。

步骤(2)中，加入所述粘结剂之前，还对所述混合物料体系进行粉碎处理。

所述步骤2中的聚丙烯酰胺(PAM)可以溶于水后喷洒于颗粒表面，也可以以粉末形式撒于颗粒表面，两种方式取决于PAM的加入量，如加入量较大时，最好以粉末形式添加，反之，以溶液形式为好。

所述混合物料体系进行粉碎后的粒径为0.1-0.5mm。

所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂颗粒的粒径范围为2-5mm。

步骤(2)中，所述成型颗粒进行烘干的温度为75-100℃。

所述的的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂的使用方法：施用方式为一次性底施。施用量一般为每亩75～100kg，在整地时，撒施于土壤表面，浅翻即可。

本发明可以从根本上调节南方稻田土壤酸性，中和土壤中的交换性酸和游离酸，钝化土壤中的交换性铝和活性铝离子，有效解决南方稻田酸性土壤的“酸、毒”问题。这是因为本发明的土壤调理剂可以提供了大量的Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺等盐基离子，能等比例地与土壤胶体吸附的H⁺和Al³⁺等致酸离子进行交换，交换出来的H⁺、Al³⁺和土壤活性酸被本发明土壤调理剂本身携带的OH^-和施入土壤中的硅酸盐水解释放出的OH^-有效中和和沉淀。

本发明可以显著降低稻田土壤容重，增加土壤孔隙度和大团聚体比例，协调土壤中水分、温度、空气和营养物质之间的关系，有利于根系活动及吸取养分，为植物生长发育提供良好的条件。这是因为本发明所述的PAM、碳化谷壳和粉煤灰均可以显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度和大团聚体比例，其中在增加土壤孔隙度方面以碳化谷壳和PAM效果相对最好，在提高大团聚体比例方面以PAM相对最佳。另外，本发明中的PAM、碳化谷壳和粉煤灰具有较强地吸水和保水性能，其中PAM是干旱区应用较多的保水材料；风化煤、碳化谷壳和粉煤灰的吸水量均是材料本身的一倍以上。本发明将PAM、碳化谷壳和粉煤灰等物料按一定比例复配后可以有效改良稻田红壤结构，调节土壤三相比(固相：液相：气相)，协调土壤中水分、温度、空气和营养物质之间的关系，防止肥料的渗漏和流失，提高肥料养分利用率，有效保护生态环境。

本发明可以有效补充南方稻田土壤中的有效硅、交换性钙和交换性镁，提高水稻产量，改善稻米品质。由于在强淋溶条件下，南方稻田土壤普遍发生脱硅富铁铝化作用和钙、镁、钠、钾等盐基离子被大量淋失的现象，所以导致土壤有效硅、交换性钙、交换性镁和速效钾含量和盐基饱和度一般较低。如果这些养分长期亏缺，水稻生长将会受到限制。本发明可以大幅度补充南方稻田土壤中的有效硅、交换性钙和交换性镁，有针对性的解决了水稻生长缺素的问题。

本发明所用到的谷壳和粉煤灰均为工农业废弃物，利用本发明生产调理剂不仅可以变废为宝，而且有效缓解了环境压力。稻壳是稻米加工后的副产品，具有良好的韧性、多孔性和低密度以及质地粗糙等特点，粗纤维含量一般为35.5％～45％、木质素含量为2l％～26％、二氧化硅含量为10％～2l％，是降低土壤容重、增加土壤孔隙度的上等改良材料。目前，由于稻壳直接施入稻田难以降解，所以在农村主要作为燃料；在工业上主要作为发电场和提取化工产品的原料，但是由于利用量有限，仍有大量废弃和闲置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，通过包括碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰、硅钙镁磷钾肥、聚丙烯酰胺等原料组分并进行合理配比，从而将其施用于酸性土壤后，一方面能够显著降低土壤容重，增加土壤孔隙度和大团聚体比例，使得土壤中水分、温度、空气和营养物质之间实现均衡协调，提高肥料养分利用率，有效避免土壤板结现象；另一方面，所述调理剂能够提供大量Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺等盐基离子，能与土壤胶体吸附的H⁺和Al³⁺等致酸离子进行等比例交换，交换出来的H⁺、Al³⁺与本发明所述改良剂本身携带的OH^-和硅酸盐水解释放出的OH^-发生中和或沉淀反应，有效解决酸性土壤的“酸”、“毒”问题；此外，本发明所述调理剂还能有效补充土壤中有效硅、交换性钙和交换性镁的含量，提高农作物产量，改善农产品的品质。综上所述，本发明所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂能从根本上改良稻田酸性土壤，并适宜于长期使用，安全性较高。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明以稻壳为基质制备颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂的工艺流程图；

图2是本发明所述调理剂处理后稻田土壤交换性酸总量与交换性盐基总量关系图。

具体实施方式

下面实施例中以1重量份代表1g。

实施例1

本实施例提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，33重量份；

谷壳硅碱，12重量份；

粉煤灰，15重量份；

硅钙镁磷钾肥，30重量份；

阴离子聚丙烯酰胺(分子量为300万)，2重量份；

凹凸棒粉，2重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在500℃条件下进行碳化6h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向反应釜中的所述碳化谷壳中加入浓度为20wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:3，煮沸并保持4h，即得所述谷壳硅碱。

进一步，所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，如图1所示，采用如下方法制备：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化7天，即得混合物料体系；

(2)向步骤(1)所述的混合物料体系中加入所述凹凸棒粉，进行造粒，待母粒成型后加入所述阴离子聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经75-100℃烘干、筛分，得到粒径介于2-5mm之间的颗粒即为所述调理剂，进行计量、包装得调理剂产品，粒径大于5mm和小于1mm的颗粒重新进行粉碎后再造粒。

实施例2

本实施例提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，30重量份；

谷壳硅碱，12重量份；

粉煤灰，18重量份；

硅钙镁磷钾肥，27重量份；

阴离子聚丙烯酰胺(分子量为400万)，7重量份；

膨润土，6重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在600℃条件下进行碳化4h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向所述碳化谷壳中加入浓度为10wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:5，煮沸并保持3.5h，即得所述谷壳硅碱。

进一步，所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，采用如下方法制备：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化8天，即得混合物料体系；

(2)将步骤(1)所述的混合物料体系先采用粉碎机进行粉碎处理，粉碎后混合物料体系的粒径为0.1-0.5mm，之后再加入所述膨润土，进行造粒，待母粒成型后加入所述阴离子聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经75-100℃烘干、筛分，得到粒径介于2-5mm之间的颗粒状的调理剂。

实施例3

本实施例提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，38重量份；

谷壳硅碱，10重量份；

粉煤灰，17重量份；

硅钙镁磷钾肥，24重量份；

阴离子聚丙烯酰胺(分子量为450万)，4重量份；

膨润土，10重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在550℃条件下进行碳化5h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向所述碳化谷壳中加入浓度为7wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:7，煮沸并保持2h，即得所述谷壳硅碱。

进一步，所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，采用如下方法制备：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化7天，即得混合物料体系；

(2)将步骤(1)所述的混合物料体系先采用粉碎机进行粉碎处理，粉碎后混合物料体系的粒径为0.1-0.5mm，之后再加入所述膨润土，进行造粒，待母粒成型后加入所述阴离子聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经75-100℃烘干、筛分，得到粒径介于2-5mm之间的颗粒状的调理剂。

实施例4

本实施例提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，21重量份；

谷壳硅碱，17重量份；

粉煤灰，14重量份；

硅钙镁磷钾肥，36重量份；

阴离子聚丙烯酰胺(分子量为500万)，5重量份；

凹凸棒粉和膨润土按照质量比1:1组成的混合物，7重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在550℃条件下进行碳化5h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向所述碳化谷壳中加入浓度为15wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:4，煮沸并保持4h，即得所述谷壳硅碱。

进一步，所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，采用如下方法制备：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化10天，即得混合物料体系；

(2)将步骤(1)所述的混合物料体系先采用粉碎机进行粉碎处理，粉碎后混合物料体系的粒径为0.1-0.5mm，之后再加入所述凹凸棒粉和膨润土，进行造粒，待母粒成型后加入所述阴离子聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经75-100℃烘干、筛分，得到粒径介于2-5mm之间的颗粒状的调理剂。

实施例5

本实施例提供一种以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，其原料组分包括：

碳化谷壳，22重量份；

谷壳硅碱，20重量份；

粉煤灰，14重量份；

硅钙镁磷钾肥，40重量份；

阴离子聚丙烯酰胺(分子量为500万)，8重量份；

凹凸棒粉和膨润土按照质量比1:1组成的混合物，6重量份；

其中，所述碳化谷壳采用如下方法制备：

将谷壳在550℃条件下进行碳化5h，通风冷却至室温，即得所述碳化谷壳；

所述谷壳硅碱采用如下方法制备：

向所述碳化谷壳中加入浓度为6wt％NaOH溶液，控制所述碳化谷壳与所述氢氧化钠溶液的质量比为1:8，煮沸并保持4h，即得所述谷壳硅碱。

进一步，所述的以稻壳为基质的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂，采用如下方法制备：

(1)按照上述重量份分别称取碳化谷壳、谷壳硅碱、粉煤灰和硅钙镁磷钾肥，充分混合并进行陈化10天，即得混合物料体系；

(2)将步骤(1)所述的混合物料体系先采用粉碎机进行粉碎处理，粉碎后混合物料体系的粒径为0.1-0.5mm，之后再加入所述凹凸棒粉和膨润土，进行造粒，待母粒成型后加入所述阴离子聚丙烯酰胺，得到成型颗粒经75-100℃烘干、筛分，得到粒径介于2-5mm之间的颗粒状的调理剂。

本发明实施例1-5所述的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂的使用方法：施用方式为一次性底施。施用量一般为每亩75～100kg，在整地时，撒施于土壤表面，浅翻即可。

对比例1

本对比例提供一种酸性土壤调理剂，其包括如下组分：

草木灰，52重量份；

生物炭，28重量份；

膏状石灰，28重量份；

植物源有机肥，8重量份。

按照上述重量份将上述物料组分进行混合挤压成型，得到粒度介于2-5mm的混合物料即为酸性土壤调理剂。

实验例1

本发明的颗粒状南方稻田酸性土壤调理剂在水稻上进行了一系列的试验，取得了良好的应用效果。

试验在江西省中部吉泰盆地泰和县进行，以不施调理剂为对照(CK)，设在不施调理剂基础上增施50kg/亩(CK+T50)、75kg/亩(CK+T75)、100kg/亩(CK+T100)、125kg/亩(CK+T125)本发明调理剂四个用量水平，每个处理三次重复，共18个小区，随机区组排列，小区面积30m²。

(1)本发明土壤调理剂改良后的稻田土壤盐基总量、组成和盐基饱和度

由表1可见，与对照(CK)相比，在对照基础上增施本发明土壤调理剂50kg/亩、75kg/亩、100kg/亩和125kg/亩处理的稻田土壤交换性Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺含量和交换性盐基总量以及盐基饱和度均明显增加，增幅随调理剂用量的增加而增大。由此可见，本发明调理剂可以有效补充胶体吸附的交换性Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺等盐基离子，提高盐基饱和度。

表1-改良后土壤交换性盐基组成、总量和盐基饱和度的测定结果

注：表中数据为平均值±标准差，标记小写字母表示LSD多重比较结果，同列相同字母表示差异不显著

(P<0.05)，以下出现字母的表格具有相同意义。

(2)本发明土壤调理剂改良后稻田土壤交换性酸、交换性Al³⁺和pH值

施用本发明调理剂，对调节南方稻田酸性土壤的pH值和降低土壤交换性酸、交换性Al³⁺有明显效果。由表2可以看出，与对照(CK)相比，在对照基础上增施本发明的土壤调理剂50kg/亩、75kg/亩、100kg/亩和125kg/亩处理的稻田土壤pH值均明显增大，土壤交换性酸总量、交换性H⁺和交换性Al³⁺量均明显降低，用量越大，效果越明显，由此可见，本发明的调理剂能有效中和土壤活性酸和交换性酸，钝化土壤中的交换性铝，有效解决南方稻田土壤的“酸、毒”问题。

表2-改良后土壤交换性酸和活性酸(pH值)的测定结果

(3)本发明土壤调理剂改良后稻田土壤交换性酸总量与交换性盐基总量之间的关系

由图2可见，稻田土壤交换性盐基总量随本发明土壤调理剂用量的增加而显著增大，由方程y＝0.0059x+0.0303(R²＝0.99，式中y为土壤交换性盐基总量，x为调理剂使用量)可见，土壤交换性盐基总量的单位增加量为0.006cmol/kg左右；土壤交换性酸总量随本发明土壤调理剂用量的增加而显著减少，由方程y＝0.0061x+0.0231(R²＝0.99，式中y为土壤交换性酸总量，x为调理剂使用量)可见，土壤交换酸总量的单位减少量也为0.006cmol/kg。由此说明，本发明土壤调理剂提供的Ca²⁺、Mg²⁺和K⁺能与土壤胶体吸附的致酸离子(H⁺和Al³⁺)进行等比例地交换，交换出来的H⁺、Al³⁺被本发明土壤调理剂本身携带的OH^-和硅酸盐水解释放出的OH^-有效中和和沉淀。可见，本发明可以从根本上改良南方稻田酸性土壤。

(4)本发明土壤调理剂改良后稻田土壤有效硅、速效磷和速效钾等养分含量

由表3可见，与对照(CK)处理相比，在对照基础上增施本发明土壤调理剂50kg/亩、75kg/亩、100kg/亩和125kg/亩处理的土壤有机碳、电导率、速效磷和速效钾和有效硅均有所增加，增加幅度随用量增加而显著增大，增施量在75kg/亩以上处理均达到了显著性差异水平。由此可见，施用本发明的土壤调理剂可以有效补充南方稻田土壤中的速效磷和速效钾和有效硅营养元素，并且提高土壤肥力，用量越大，效果越明显。

表3-改良后稻田土壤养分和电导率

注：电导率的水土比为5:1

(5)施调理剂后种植水稻的单季产量和四季平均产量

本发明调理剂在四季水稻上的试验结果由表4可见，与对照(CK)相比，在对照基础上增施本发明土壤调理剂50kg/亩、75kg/亩、100kg/亩和125kg/亩处理的每一季水稻产量均有所提高，将四季产量平均后发现，增产幅度在7％～10％，均达到了显著性差异水平。由此可见，在农民习惯施肥基础上增施本发明调理剂可以有效提高南方水稻产量。

表4-施调理剂后种植水稻的单季产量和四季平均产量

实验例2

试验在江西省中部吉泰盆地泰和县进行，以不施调理剂为对照(CK)，设在不施调理剂基础上增施对比例1调理剂75kg/亩，和本发明调理剂75kg/亩两个试验对象，共3个处理，每个处理三次重复，共9个小区，随机区组排列，小区面积60m²。

试验结果由表5可见，与不施调理剂处理(CK)相比，施调理剂处理后的土壤交换性酸总量、交换性H⁺和土壤交换性Al³⁺均显著降低，土壤pH值显著提高。与对比例调理剂处理相比，本发明调理剂处理后的土壤pH值显著提高了7.2％，土壤交换性酸总量、交换性H⁺和土壤交换性Al³⁺分别显著降低21.2％、7.8％和30.9％。由此可见，本发明的调理剂在改良稻田土壤酸性方面较其它调理剂效果更明显。

表5-改良后土壤交换性酸和活性酸(pH值)的测定结果

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。